分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器

嘉興市光伏行業(yè)協(xié)會(huì)，浙江嘉科新能源科技有限公司，浙江昱能科技有限公司，嘉興市秀洲區(qū)標(biāo)點(diǎn)質(zhì)量研究中心，浙江鑒衡檢測(cè)技術(shù)有限公司，浙江省嘉興光伏應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)，浙江漢博區(qū)塊鏈技術(shù)有限公司，浙江昱輝陽光能源有限公司，浙江晶科能源有限公司，浙江鴻禧能源股份有限公司

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器的術(shù)語和定義、產(chǎn)品分類、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則及標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存等。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于連接到額定電壓400 V及以下低壓配電系統(tǒng)的分布式并網(wǎng)光伏逆變器。

汝娟，戴永軍，凌志敏，曹燕，吳海龍，高慧敏，姚衛(wèi)國(guó)，孟凡昌，李寧，周喜平

先進(jìn)并網(wǎng)逆變器裝置級(jí)

從裝置級(jí)來看，先進(jìn)并網(wǎng)逆變器在直流電壓變換環(huán)節(jié)、逆變器電路、濾波網(wǎng)絡(luò)和功率器件上都可能存在一些不同于傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的地方。

1)直流電壓變換環(huán)節(jié)。

從直流電壓變換環(huán)節(jié)來看，一些先進(jìn)并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的直流電壓變換環(huán)節(jié)主要為Boost電路，將分布式電源的直流輸出電壓經(jīng)過泵升后接到DC/AC變換環(huán)節(jié)，以滿足并網(wǎng)條件。然而，由于Boost電路的電壓抬升能力有限，并網(wǎng)逆變器所能接納的分布式電源直流電壓變化范圍一般比較窄。近年來，各種具有升壓功能的高增益直流電壓變換電路得到了廣泛研究。

同時(shí)，為了消除光伏電池板可能存在的泄漏電流對(duì)人身安全的危害，一些高頻鏈隔離的直流電壓變換環(huán)節(jié)也引起了關(guān)注。

此外，為了提高DC/AC變換環(huán)節(jié)運(yùn)行的靈活性和可靠性，一些先進(jìn)的并網(wǎng)逆變器改變傳統(tǒng)電壓源變流器的模式，采用電流源、Z源或準(zhǔn)Z源變流器結(jié)構(gòu) 。

2)變流器拓?fù)洹?

從變流器拓?fù)洵h(huán)節(jié)來看，一些先進(jìn)并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了滿足一些特殊的功能，電流源型、多電平中點(diǎn)箱位(NPC)的變流器拓?fù)湟查_始出現(xiàn)在小功率的并網(wǎng)逆變器中，這些拓?fù)淇捎行岣卟⒕W(wǎng)逆變器的運(yùn)行性能。需要指出的是，隨著先進(jìn)IGBT模塊結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，譬如RB-IGBT，并網(wǎng)逆變器的多電平實(shí)現(xiàn)方式變得更加靈活多樣 。

為了抑制光伏并網(wǎng)逆變器中可能出現(xiàn)的共模/差模電壓，可采用上文所提到的直流側(cè)高頻隔離或交流側(cè)低頻隔離的方案，但是這些方案中的變壓器都會(huì)增加系統(tǒng)的體積和成本，近來一些新型變流器拓?fù)涞南嗬^出現(xiàn)為無隔離型并網(wǎng)逆變器的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，為了有效保證可再生能源并網(wǎng)和局部?jī)?chǔ)能單元的接入，有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)部分變流器拓?fù)渲械拈_關(guān)管可以復(fù)用，于是出現(xiàn)了9開關(guān)管的新型變流器拓?fù)洹?

3)電力電子器件。

從電力電子器件材料的角度來看，隨著SiC等寬禁帶材料器件的不斷發(fā)展，具有更小通態(tài)電阻、更高開關(guān)速度的電力電子器件將極大地提高并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率和效率。對(duì)未來體積小、重量輕、效率高的先進(jìn)并網(wǎng)逆變器提供了可靠的保障。

4)濾波網(wǎng)絡(luò)。

逆變器的DC/AC逆變器電路將直流電壓或電流變換為開關(guān)脈沖量，為了消除開關(guān)頻率次諧波電壓、電流分量對(duì)電網(wǎng)的影響，一般地，并網(wǎng)逆變電路與電網(wǎng)之間都有無源低通濾波網(wǎng)絡(luò)。常見的濾波網(wǎng)絡(luò)主要類型有:L型、LC型、LCL型和 LCLL型，如圖4所示。一般地，L型濾波器的高頻衰減速率僅為20 dB/dec，為了獲得好的高頻紋波電流衰減性能，需要提升電感值;然而，電感值的增大會(huì)導(dǎo)致電感體積和成本的增加。于是，出現(xiàn)了LC型和LCL型濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其高頻衰減性能分別為40和60 dB/dec。需要說明的是，LC型濾波網(wǎng)絡(luò)和等效的電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗(主要為電感)一起也構(gòu)成了一個(gè)LCL濾波器結(jié)構(gòu)。顯然，高頻衰減率越高對(duì)紋波電流的抑制能力也越強(qiáng)。但是，由于LCL濾波器具有3個(gè)儲(chǔ)能元件，其模型是一個(gè)三階動(dòng)態(tài)響應(yīng)方程，存在一個(gè)天然的諧振點(diǎn)，這給并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定和控制帶來了不小的困難 。一般地，可以在濾波電容支路增加無源阻尼電阻來阻尼諧振分量，但是電阻的存在使得系統(tǒng)的效率降低。雖然一些具有諧振旁路的改進(jìn)型LCL濾波器無源阻尼方法能在一定程度上降低阻尼電阻的損耗，但是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此，基于控制器的有源阻尼方案得到了廣泛的研究。另一方面，可以通過一些特殊的控制策略來增強(qiáng)LCL濾波并網(wǎng)逆變器的控制性能，譬如：加權(quán)電流反饋控制、多環(huán)反饋控制、零極點(diǎn)配置控制、基于狀態(tài)空間的優(yōu)化控制等。為了獲得更好的濾波性能，降低系統(tǒng)體積。

先進(jìn)并網(wǎng)逆變器功能級(jí)

從可調(diào)度能力、電能質(zhì)量主動(dòng)治理、電網(wǎng)阻抗檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)阻抗重塑和雙模運(yùn)行等幾個(gè)角度來闡釋先進(jìn)并網(wǎng)逆變器的功能級(jí)控制策略。

1)可調(diào)度能力。

可調(diào)度方面，在可再生能源分散接入的背景下，國(guó)網(wǎng)公司要求單個(gè)臺(tái)區(qū)接入容量不大于6MW的分布式電源可以接入10 kV及其以下的配電網(wǎng)。但是，由于在配電網(wǎng)內(nèi)可能將出現(xiàn)為數(shù)眾多的分布式并網(wǎng)單元，使得對(duì)這些分布式并網(wǎng)單元進(jìn)行集中通信調(diào)度顯得十分困難 。

能使并網(wǎng)逆變器在功能上模擬發(fā)電機(jī)外特性的控制策略大致有兩種。一種是下垂控制策略，另一種是虛擬同步發(fā)電機(jī)控制技術(shù)。

傳統(tǒng)的下垂控制需要采樣并反饋電網(wǎng)電壓的幅值和頻率，并對(duì)其做出響應(yīng)，來模擬發(fā)電機(jī)的下垂外特性。這種控制方法，雖然在離網(wǎng)運(yùn)行的逆變器運(yùn)行控制及功率分配中取得了不錯(cuò)的效果，但是對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的逆變器，利用其模擬發(fā)電機(jī)的下垂外特性，可能會(huì)帶來較大的暫態(tài)電流沖擊且這種基于發(fā)電機(jī)下垂外特性的模擬方法，并不是真正意義地將并網(wǎng)逆變器與發(fā)電機(jī)做等效。因此，為系統(tǒng)提供慣性和阻尼、為電網(wǎng)提供支撐的性能也難有定論，此外下垂系數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有十分重要的影響。下垂系數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)可能直接導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的不穩(wěn)定。此外，由于系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)，逆變器參數(shù)的不匹配，在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，傳統(tǒng)下垂控制的功率分配方面也難以實(shí)現(xiàn)按逆變器的容量成比例分配。

總之，簡(jiǎn)單地利用逆變器來模擬發(fā)電機(jī)的下垂外特性，雖然能在一定程度上改善逆變器的運(yùn)行性能，但是還無法從根本上和傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比擬。于是，大量的學(xué)者開始尋求能徹底將并網(wǎng)逆變器等同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的控制策略，這就出現(xiàn)了另一種有趣的控制方案。這類控制策略在并網(wǎng)逆變器的控制環(huán)路中人為地引入了發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，將并網(wǎng)逆變器的暫態(tài)過程變慢，且系統(tǒng)的慣性和阻尼有了明確的物理意義。此外，通過類似勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和調(diào)頻器的設(shè)計(jì)，使得傳統(tǒng)下垂控制難以設(shè)計(jì)的下垂系數(shù)變?yōu)榱伺c傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)類似的勵(lì)磁控制器和頻率調(diào)節(jié)控制器的設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了保障。此類控制策略可以統(tǒng)稱為“虛擬同步發(fā)電機(jī)”控制。其中，以荷蘭能源研究中心和埃因霍溫理工大學(xué)等合作的虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)概念、德國(guó)克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)的虛擬同步電機(jī)(VISMA)概念和英國(guó)謝菲爾德大學(xué)鐘慶昌教授的S ynchronverter概念最為著名 。

2)電能質(zhì)量主動(dòng)治理。

在電能質(zhì)量方面，分布式的并網(wǎng)發(fā)電單元普遍接入的是相對(duì)脆弱的、電能質(zhì)量惡劣的配電網(wǎng)末端，尤其是三相電壓不平衡是配電網(wǎng)的典型特征。為了保證并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡、諧波等非理想條件下的持續(xù)、不間斷運(yùn)行，近年來，關(guān)于并網(wǎng)逆變器對(duì)平衡/不平衡電壓跌落、電壓諧波穿越能力的研究得到了廣泛的關(guān)注。一些能在電網(wǎng)電壓不平衡、諧波條件下持續(xù)運(yùn)行的并網(wǎng)逆變器控制策略相繼被提出。這些控制方法能大幅提升并網(wǎng)逆變器應(yīng)對(duì)惡劣配電網(wǎng)電能質(zhì)量環(huán)境的能力。

雖然上述非理想電網(wǎng)電壓穿越控制能有效提升并網(wǎng)逆變器在惡劣配電網(wǎng)電能質(zhì)量環(huán)境下的持續(xù)運(yùn)行能力，但是這種策略相對(duì)而言是被動(dòng)的適應(yīng)策略，無法從根本上改善或提升配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。因此，在配電網(wǎng)內(nèi)安裝有源或無源濾波裝置就顯得十分必要。一般地，無源濾波裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，然而，由于有源電能質(zhì)量治理裝置運(yùn)行更加靈活、性能更高，近來得到了越來越多的應(yīng)用。值得指出的是，一方面，并網(wǎng)逆變器具有和有源濾波器(APF)、動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)等有源電能質(zhì)量治理裝置一致的變流器拓?fù)洌床⒕W(wǎng)逆變器具有治理其接入點(diǎn)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的潛力。另一方面，由于風(fēng)能、光伏的隨機(jī)性、波動(dòng)性和不可控性，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池的出力不可能一直處于滿發(fā)狀態(tài)，且并網(wǎng)逆變器的安裝容量本身也較安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)或光伏電池的容量之間存在一定的裕量。故并網(wǎng)逆變器也有能力完成對(duì)其接入點(diǎn)電能質(zhì)量的治理。因此，集成了可再生能源并網(wǎng)和電能質(zhì)量治理的多功能并網(wǎng)逆變器概念得到了廣泛的關(guān)注。因?yàn)檫@種并網(wǎng)逆變器具有一機(jī)多職的能力，在無需引入額外電能質(zhì)量治理裝置的同時(shí)即可改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，明顯降低系統(tǒng)的投資成本、體積和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，提高系統(tǒng)的可靠性。

3)電網(wǎng)阻抗檢測(cè)。

電網(wǎng)阻抗對(duì)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的電能質(zhì)量具有較大的影響。系統(tǒng)阻抗越大，對(duì)并網(wǎng)逆變器穩(wěn)定性的影響也越大、電能質(zhì)量的惡化也越嚴(yán)重。此外，大量研究表明，在大規(guī)模分布式可再生能源通過并網(wǎng)逆變器接入配電網(wǎng)后，由于系統(tǒng)阻抗網(wǎng)絡(luò)的不匹配，可能會(huì)引起系統(tǒng)的串/并聯(lián)諧振，導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器的無故障跳閘，危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，系統(tǒng)阻抗對(duì)分布式可再生能源并網(wǎng)單元具有重要的意義。歐洲和德國(guó)的一些并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)明確要求并網(wǎng)逆變器檢測(cè)系統(tǒng)阻抗，并在系統(tǒng)阻抗急劇變化時(shí)停機(jī)或切換至孤島運(yùn)行模式，可見系統(tǒng)阻抗的檢測(cè)也應(yīng)成為分布式并網(wǎng)發(fā)電單元的一個(gè)重要組成部分。

一般地，系統(tǒng)阻抗的檢測(cè)方法可分為測(cè)量法和估計(jì)法兩大類。在測(cè)量法中，直接利用額外的測(cè)量裝置檢測(cè)系統(tǒng)的阻抗，該方法簡(jiǎn)潔可行，但是會(huì)引入額外的硬件投入。相反，估計(jì)法則直接利用并網(wǎng)逆變器已有的數(shù)字控制器來完成對(duì)系統(tǒng)阻抗的檢測(cè)，這類方法又分為有源法和無源法。一般地，有源法即通過向系統(tǒng)施加間歇性的擾動(dòng)，來識(shí)別系統(tǒng)阻抗，比較常見的是向系統(tǒng)注入間諧波電流。圖5中(a)可知，當(dāng)假設(shè)電網(wǎng)電壓不含有間諧波時(shí)，由疊加原理可知，當(dāng)逆變器向電網(wǎng)注入間諧波時(shí)系統(tǒng)的等效框圖如圖5中(b)所示。因此，此時(shí)只需要檢查并網(wǎng)逆變器出口電壓和電流的間諧波含量、即可檢查出系統(tǒng)阻抗。

4)阻抗重塑。

以上分析表明，系統(tǒng)的阻抗對(duì)并網(wǎng)逆變器的運(yùn)行具有十分重要的影響，也有部分方法能有效檢測(cè)出系統(tǒng)阻抗的大小。但是，為了改善系統(tǒng)阻抗，尤其是向系統(tǒng)提供必要的阻尼，以抑制可能出現(xiàn)的串/并聯(lián)諧振現(xiàn)象，需要對(duì)已有的系統(tǒng)阻抗進(jìn)行重塑。也即，改變并網(wǎng)逆變器的外特性，使得并網(wǎng)逆變器更多地呈現(xiàn)電阻特性，向原本電感和電容因素復(fù)雜的電網(wǎng)提供更多的阻尼。

一般地，并網(wǎng)逆變器呈現(xiàn)感性，系統(tǒng)的線路也呈現(xiàn)感性，而濾波電容等呈現(xiàn)容性，當(dāng)系統(tǒng)電阻分量的阻尼不足時(shí)，很容易在這些電感、電容之間形成串并聯(lián)諧振。若通過并網(wǎng)逆變器向系統(tǒng)注入必要的阻性成分，即可有效地抑制串并聯(lián)諧振，這就是阻抗重塑的概念。特別地，出于物理完備性的考慮，在有L型、R型逆變器的基礎(chǔ)上，也應(yīng)該存在C型逆變器。因此，謝菲爾德大學(xué)的鐘慶昌教授 給出了C型并網(wǎng)逆變器在離網(wǎng)運(yùn)行模式下能有效降低輸出電壓諧波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。R型和C型并網(wǎng)逆變器的附加控制策略如圖6所示。

5)并網(wǎng)逆變器的雙模運(yùn)行。

在雙模運(yùn)行方面，為了提高分布式可再生能源并網(wǎng)的高效性和靈活性，越來越多的并網(wǎng)逆變器要求具有孤島、并網(wǎng)雙模式運(yùn)行能力。即在電網(wǎng)正常模式下，并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)運(yùn)行;當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，并網(wǎng)逆變器應(yīng)該能孤島運(yùn)行，向本地關(guān)鍵負(fù)荷提供高質(zhì)量的電能供給，雙模并網(wǎng)逆變器的概念由此而生。為了保證不同運(yùn)行模式切換過程中對(duì)本地關(guān)鍵負(fù)荷的不間斷供電，并網(wǎng)逆變器在不同運(yùn)行模式之

間的無縫切換技術(shù)顯得十分必要。

先進(jìn)并網(wǎng)逆變器電流控制級(jí)

為了保證對(duì)并網(wǎng)電流的有效、精確跟蹤，并網(wǎng)電流的跟蹤控制也是先進(jìn)并網(wǎng)逆變器中必不可少的環(huán)節(jié)。本文以并網(wǎng)同步和并網(wǎng)電流調(diào)節(jié)兩部分作詳細(xì)闡述 ，如圖7所示。

1)并網(wǎng)同步。

為了實(shí)現(xiàn)精確的并網(wǎng)功率跟蹤，電網(wǎng)電壓的相位信息對(duì)于并網(wǎng)逆變器十分重要，其在并網(wǎng)參考電流的計(jì)算中顯得十分關(guān)鍵。雖然存在一些無鎖相環(huán)的參考電流生成算法，但是，其應(yīng)對(duì)電網(wǎng)頻率變化的能力較差。

為了獲得電網(wǎng)電壓的頻率和相位，一般有硬件鎖相環(huán)和軟件鎖相環(huán)兩種方法。在硬件鎖相環(huán)中，需要利用過零比較來完成對(duì)電網(wǎng)電壓相位的跟蹤。但是，這種方法響應(yīng)速度慢，精度受到傳感器、過零比較器和AD精度的限制，且無法克服電網(wǎng)電壓諧波和不平衡的干擾。因此，基于軟件的數(shù)字鎖相環(huán)近來得到了越來越多的關(guān)注。

2)并網(wǎng)電流調(diào)節(jié)。

為了獲得更好的并網(wǎng)電流跟蹤性能及更快的響應(yīng)速度和跟蹤精度，并網(wǎng)電流調(diào)節(jié)控制顯得十分重要，除PI控制器之外的一些先進(jìn)并網(wǎng)電流跟蹤控制策略，得到了越來越多的關(guān)注。